阿勒泰市拉斯特水电站工程引水渠道结冰盖设计

阿勒泰市拉斯特水电站工程引水渠道结冰盖设计
赵明
(新疆阿勒泰地区水利水电勘测设计院,阿勒泰836500)
摘要:严寒区水电站引水渠道冬季引水,存在打冰、捞冰、破冰等问题,对水电站管理及冬季运行带来不少困难,为了解决电站冬季引水问题多采用结冰盖运行。

本文以拉斯特水电站引水渠为例,对严寒区水电站引水渠道结冰盖设计进行了介绍,供同类工程参考。

关键词:水电站;引水渠道;结冰盖;设计
1工程概况
阿勒泰市拉斯特水电站位于拉斯特乡境内,克兰河上游,大小克兰河汇合口下游04km处,海拔高程97855m。

电站的布置形式为引水式水电站,从克兰河引水,尾水排入克兰河。

根据阿勒泰市气象站气象观测资料,拉斯特水电站所在区域多年平均气温为45,历年极端最高气温为379,历年极端最低气温为-416;最冷月为1月份,月平均气温为-155;全年月平均气温低于零摄氏度的有5个月之久,通常在11月~翌年3月。

依据水工建筑物抗冰冻设计规范(SL211-98)203可将阿勒泰地区划为严寒气候区。

阿勒泰水文站对克兰河冰情资料统计年限为1959-2002年(44年),多年初冰日期平均在10月25日,终冰日期平均在4月10日,初终冰天数平均168d;封冻日期平均在11月15日,解冻日期平均在3月26日,年平均封冰天数为133d,最大河心冰厚110m,最小河心冰厚061m。

拉斯特水电站在保证率85%时的保证流量为319m3s,单机流量为380m3s,总引用流量为3,电站装机容量为3W,年发电量为53W,年利用小时数为5,保证出力为565W。

电站主要建筑物有拦河渠首、动力渠、渠系建筑物、压力前池、泄水渠、压力钢管、发电厂房和尾水渠。

拉斯特水电站引水渠渠首位于大、小克兰河汇合处河床右岸,动力渠长约167811km,设计流量139m3s(含灌溉流量),加大流量15m3s,冬季发电(12月、1月、2月)平均流量为26m3s 左右。

上游渠段500~600m为河床阶地,其余部分均布置在山坡冲洪积层二级阶地边沿,有800m为填方渠段。

2断面确定
21断面选择
阿勒泰地区为严寒区,根据阿勒泰市已有引水式水电站运行经验来看,引水渠道平均结冰厚度为080m,拉斯特水电站设计要考虑冬季渠道发电流量为一台机发电或保证流量发电,因此设计时在单机流量或保证流量下,渠道超高大小要充分考试冬季渠底和渠岸自生冰凌对过水断面的影响,要保证冰盖形成以后,渠道仍有足够的过水断面。

又依据水工建筑物抗冰冻设计规范(SL211-98)634,有输冰要求的渠道可采用窄深式弧形渠底的矩形、梯形断面。

而拉斯特电站又有长为填方段,加大流量计算的渠道水深又不宜太大,渠堤高度尽量在3左右,以免渠堤出现高边坡危险。

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2011年第2期新疆水利X IN JIA NG WA TER RESO URCES
114m s1000k 18104k h127h 8k 800m
0m
用加大流量计算对应水深,对弧形渠底的矩形、梯形断面进行分析对比。

本次设计弧形渠底中心角为90,圆弧半径取2m、3m、4m、5m、6m、7m,对渠道断面进行水力计算,计算结果见表1。

表1弧形渠底的矩形、梯形断面水力计算结果对比表
备注过水
断面
A4
(m)
纵坡
i
边坡
系数
m
糙率
n
水深
H
(m)
弦高
h
(m)
弦长
L
(m)
流速
v
(m)
渠深
H1
(m)
湿周
x
(m)
水力
半径
R
(m)
谢才
系数
C
流量
Q
(m
3
s)
半径
r
(m)
角度
(度)
安全
超高
H
(m)
弧形渠底矩形断面,加大流量15721200000002657405928309573813451169394715002090164弧形渠底矩形断面,加大流量1403120000000263580884241074681012138740621501309011弧形渠底矩形断面,加大流量137212000000026279117566110369952144140881506409009弧形渠底矩形断面,加大流量1382120000000262411467071093219745141840771500509008弧形渠底矩形断面,加大流量14201200000002622217684910629810351372405415086090076弧形渠底矩形断面,加大流量14581200000002621120599010328411121311402415027090073弧形渠底梯形断面,加大流量13981200010002630205928310739810041393406515002090096弧形渠底梯形断面,加大流量13971200010002627508842410836399911398406715023090089弧形渠底梯形断面,加大流量1401120001000262521175661073351011388406214994090083弧形渠底梯形断面,加大流量14151200010002623514670710631310351368405215005090079弧形渠底梯形断面,加大流量1436120001000262211768491052971072134403815016090075弧形渠底梯形断面,加大流量14611200010002621120599010328411171308402215027090073从表1可以看出,弧形底梯形断面相应水深
比弧形底矩形断面小,从渠道边坡的稳定性考
虑,弧形底梯形断面优于弧形底矩形断面,因此
本设计选择弧形底梯形断面为设计断面。

22圆弧半径
计算弧形底梯形渠道的水力最佳断面,水力
最佳断面的计算公式如下:
H0=1542
Q n
i(+2m)
38
r0=H0
L0=2H0 1+m2
0=(
2
+m)H20
x0=(+2m)H0
式中:H0水力最佳断面水深,m;
水力最佳断面渠底圆弧半径,;
L水力最佳断面弧形底的弦长,;
水力最佳断面的过水断面面积,;
x0水力最佳断面湿周,m2;
弧形底对应圆心角,rad,为简化设计,
本电站中取90=
2
rad。

通过以上各式,计算出水力最佳断面各参数如下:
H0=28m,r0=28m,L0=395m,0= 1395m2,x0=9981m。

弧形底梯形渠道水力最佳断面与实用经济断面之间应符合下列各公式:
=
A4
=(
1x
x0
)23
A K2r+
B K r+C=0
A=(2m-21+m2+)2-24(2m
+)(
2
+2m-1+m2)
B=+(++)
(++(+)
=(+)(+)
r0m 0
m
0m2
41m22m-21m2
-442m1m2-m
C41m2-242m m
式中:A4实用经济过水断面面积,m2;
K r实用经济断面的渠底圆弧半径r与水深H之比;
实用经济断面与水力最佳断面的过水
断面面积之比。

通过以上各式试算,最终确定实用经济过水断面圆弧半径为46m,加大流量水深为241m。

3计算结果
实用经济过水断面圆弧半径为46m,计算各流量对应水深及流速见表2。

表2不同设计流量下的渠道参数计算表过水
断面A4 (m)纵坡
i
边坡
系数
m
糙率
n
水深
h
(m)
弦长
L
(m)
流速
v
(m)
渠深
H1
(m)
湿周
x
(m)
水力
半径
R
(m)
谢才
系数
C
流量
Q
(m
3
s)
半径
r
(m)
角度
(rad)
计算安
全超高
H
(m)
备注
467120001000261136510681616611070736331946157048保证流量5281200010002612365107217468880766367938046157051单机流量8611200010002617265108823582831039387176046157063二台机流量115312000100026210651099283936612323982114046157073三台机流量133312000100026232651104310998313354036139046157078设计流量14091200010002624165110632110231377405715004615708加大流量
由表2可以看出,在冬季保证流量或一台机发电时,对应水深为113m或123m,均大于平均结冰厚度08m,而相应流速为068m s和072m s,符合水工抗冻设计规范(SL21198)要求。

拉斯特水电站于2008年8月1日开始发电,通过3个冬季结冰盖运行,运行情况良好,未出现过冰凌堵塞渠道或结冰冻实引水渠道断面情况,因此,本引水渠道结冰盖运行设计是成功的。

4结语
在冬季水结冰前,电站运行一台水轮机,调节水轮机流量,使水轮机在保证出力运行,将压力前池及引水渠道水位雍高至二台机发电水位,而渠道水深为172m,运行人员通过中控室微机监控密切注视压力前池水位,通过调速器调节水轮机流量,使压力前池及引水渠道水位保持在高水位,经过半个月左右的雍高水位运行,渠道及压力前池结冰盖形成。

运行人员通过打冰确认冰盖形成后,缓慢增大水轮机流量,使引水渠道水位缓慢回落,在冰盖底面与水面间形成一个高度为04m左右空间,在结冰盖运行时,可以保证空气流通,以免在水流通过时形成负压,对冰盖稳定不利。

通过拉斯特水电站引水渠道的设计及运行,总结严寒区引水渠道结冰盖运行经验。

(1)渠道设计时,冬季水深不宜太浅,应大于结冰厚度,流速在07m s左右。

(2)在水结冰前,雍高水位运行,结冰盖后降低水位运行,这样可以形成一个空气流通的空间,空间高度为04m左右,在引水时,不致形成负压,将冰面压塌,堵塞渠道与压力前池拦污栅,影响发电。

参考文献
1吕宏兴,裴国霞,杨玲霞水力学[M]北京:中国农业出版社,2002
2邱秀云水力学[M]乌鲁木齐:新疆电子出版社,2004
3中华人民共和国行业标准渠道防渗工程技术规范(SL)[S]北京中国水利水电出版社,
182004:
2004。